Con los avances en el procesamiento de materiales metálicos y la tecnología de construcción, la fabricación de puentes de acero se ha convertido en la opción principal en la ingeniería moderna de puentes. Su alta resistencia, ductilidad, eficiencia constructiva y capacidad de adaptación a la producción estandarizada y automatizada la hacen indispensable. En la fabricación de puentes de acero, la tecnología de soldadura desempeña un papel vital, siendo el método principal para conectar componentes y conformar partes críticas como vigas, nodos y secciones en caja.
Sin embargo, las altas temperaturas locales durante la soldadura y el proceso de enfriamiento no uniforme pueden inducir fácilmente tensiones residuales de soldadura dentro de los componentes, generando peligros ocultos como deformaciones estructurales, grietas y una vida útil reducida por fatiga. Todo esto afecta gravemente la seguridad y durabilidad del puente. Por ello, este artículo explora sistemáticamente las tecnologías de prevención y control del estrés residual en los puentes de acero desde tres aspectos: diseño estructural, proceso de fabricación y tratamiento posterior a la soldadura. Al mismo tiempo, se presentan medidas específicas para aliviar las tensiones mediante métodos como tratamiento térmico, vibración mecánica y martilleo.
Para obtener más información sobre la definición del estrés de soldadura y su manifestación en la producción, se recomienda leer el artículo anterior: Análisis del Estrés y Deformación por Soldadura en Puentes de Estructura de Acero.
Prevención y control del estrés de soldadura en la fabricación de puentes de acero
Además, la concentración excesiva de soldaduras puede provocar una distribución desigual de tensiones y concentraciones complejas. Es importante tener en cuenta que una alta rigidez en las uniones puede generar tensiones de restricción significativas durante la soldadura, aumentando la probabilidad de grietas. Por ello, una solución eficaz es usar uniones de menor rigidez para evitar tensiones residuales longitudinales y transversales en la soldadura residual.
En la fabricación de puentes de acero, una secuencia y emparejamiento adecuados permiten la máxima expansión libre, reduciendo las tensiones residuales. Las soldaduras cortas deben realizarse antes que las largas, y las de mayor contracción primero para minimizar las restricciones.
Al soldar vigas tipo I con cubiertas, la soldadura a tope de la tapa debe hacerse antes que las de filete, ya que estas últimas presentan menor contracción. En vigas grandes con altos esfuerzos, se recomienda soldar primero las uniones sometidas a tensión y luego las no sometidas, dejando para el final las soldaduras de unión. Cuando se sueldan intersecciones entre planos, se generan grandes tensiones residuales, por lo que la secuencia de soldadura debe planificarse con precisión.
Antes de soldar, los componentes deben precalentarse entre 150–300°C, especialmente en metales frágiles, o usarse soldadura de baja energía térmica para reducir diferencias de temperatura. Durante la soldadura, minimizar las restricciones es crucial, ya que las soldaduras cerradas crean altas tensiones de tracción e incrementan el riesgo de grietas.
Selección del método de soldadura
De acuerdo con la teoría anterior, para evitar tensiones residuales en la fabricación de puentes de acero, los trabajadores deben emplear métodos de soldadura con alta densidad de energía. Estos métodos generan menor energía lineal y, por tanto, menores tensiones:
- Soldadura por haz de electrones
- Soldadura por láser
- Soldadura de ranura estrecha
En procesos de manufactura comunes, la soldadura con gas CO₂ se utiliza ampliamente por su alta eficiencia y mínima distorsión. En componentes de chapa delgada, se puede usar soldadura TIG pulsada o resistencia eléctrica para evitar pandeos. Si no se dispone de métodos de baja energía, se puede recurrir a enfriamiento directo con agua o aire para modificar el campo térmico sin comprometer las especificaciones.
Soluciones para eliminar el estrés de soldadura
Como es bien sabido, debido a la complejidad del proceso de soldadura, después de la fabricación de puentes de acero pueden permanecer tensiones residuales significativas en los componentes. Algunas estructuras también pueden desarrollar tensiones durante el ensamblaje, afectando el rendimiento y la durabilidad de los elementos. La necesidad de tratamiento de alivio de tensiones se determina mediante un análisis integral de las propiedades del material, el proceso de fabricación y el historial operativo. Aquí se presentan los métodos más comunes para eliminar y prevenir tensiones residuales en la fabricación de puentes de acero.
Tratamiento térmico
Es un método ampliamente utilizado en la metalurgia para eliminar tensiones residuales mediante procesos térmicos, superficiales o químicos. En los primeros tiempos, los efectos térmicos se utilizaban para reducir deformaciones y tensiones residuales antes o durante la soldadura, especialmente en placas delgadas. Los métodos de precalentamiento incluyen calentamiento global en horno, calentamiento localizado por infrarrojos, por frecuencia de potencia o mediante llama. Se calienta la zona de la soldadura hasta una temperatura específica y luego se enfría lentamente de manera natural.
Con el avance tecnológico, la producción moderna en la fabricación de puentes de acero emplea principalmente dos métodos: tratamiento térmico total y tratamiento térmico localizado. El primero consiste en calentar lentamente el componente completo en un horno hasta alcanzar la temperatura deseada, mantenerla por un periodo y luego enfriar dentro del horno. Este método elimina las tensiones residuales de manera más efectiva que el tratamiento localizado. Sin embargo, en grandes componentes donde no es posible el tratamiento completo, se aplica el localizado, eliminando entre 50% y 70% de las tensiones, dependiendo de la temperatura, el tiempo de mantenimiento y el método de calentamiento.
El proceso de recocido posterior a la soldadura se usa comúnmente en recipientes a presión y tuberías, pero rara vez en grandes estructuras civiles como los puentes de acero. Los elementos estándar se introducen en hornos de recocido, donde las tensiones en las juntas soldadas se reducen considerablemente. Estudios muestran que al calentar uniformemente ambos lados de la soldadura mediante fuentes móviles, el campo térmico homogéneo reduce las tensiones residuales hasta un 21%. Otros experimentos con calentamiento paralelo demostraron reducciones del 37% en la dirección paralela a la costura.
En 2014, un especialista elevó la temperatura de la soldadura del tablero de un puente de acero a 625°C durante tres horas, reduciendo drásticamente las tensiones residuales. Un calentamiento cerámico a 600°C durante una hora logró resultados similares. Ensayos en laboratorios británicos confirmaron que el tratamiento térmico disminuye significativamente el estrés residual sin alterar el módulo elástico ni la resistencia del acero. El calentamiento por inducción de alta frecuencia puede reducir el estrés en un 90%, mejorando la vida útil por fatiga del componente.
En resumen, el tratamiento térmico posterior a la soldadura (PWHT) es un método eficaz, maduro y fácil de industrializar para eliminar tensiones residuales, mejorando notablemente el rendimiento de las soldaduras críticas en la fabricación de puentes de acero.
Martilleo mecánico
Consiste en golpear mecánicamente el pie de la soldadura para inducir deformación plástica, compensando tensiones y reduciendo el estrés residual. En la fabricación de puentes de acero se aplica mediante martilleo, granallado o arenado. Investigaciones internacionales, como las de Borg et al., demostraron la presencia de un campo de compresión residual en la superficie tras el martilleo. Otros estudios estadounidenses revelaron un aumento considerable en los ciclos de carga antes de la aparición de grietas. Yamada confirmó que el martilleo genera tensiones compresivas que cierran grietas existentes y mejoran la resistencia a la fatiga.
Sin embargo, debido a la estructura compleja y al gran número de soldaduras en los tableros de puentes de acero, martillar cada unión resulta poco práctico. Además, este método requiere alta habilidad y precisión, siendo sensible a la forma y tamaño del cabezal de martillo, lo que limita su aplicación universal.
Método de vibración
Este método usa envejecimiento por vibración para eliminar tensiones residuales durante la fabricación de puentes de acero. Su eficacia depende del tipo de vibrador, la posición del apoyo, la frecuencia de vibración y la duración. En componentes grandes y rígidos, se aplican múltiples vibraciones en distintos puntos, siendo el tiempo óptimo de 45 minutos. Este método es ideal para componentes de gran tamaño, ya que ofrece simplicidad, flexibilidad, ahorro de energía y bajo costo.
Conclusión
En resumen, el estrés residual de soldadura representa un riesgo estructural importante durante la fabricación de puentes de acero. Sus mecanismos son complejos y sus manifestaciones variadas, afectando la geometría, el ensamblaje y la resistencia. Desarrollar soluciones sistemáticas de control, desde el diseño hasta el tratamiento posterior, es esencial para garantizar la seguridad y durabilidad de los puentes.
A nivel preventivo, optimizar el diseño estructural, organizar racionalmente las secuencias de soldadura y seleccionar métodos adecuados de precalentamiento y soldadura puede minimizar la formación de tensiones. En cuanto al alivio, el tratamiento térmico posterior a la soldadura, junto con métodos locales como el martilleo, la vibración y el estiramiento térmico, muestran una gran eficacia.
En el futuro, con la creciente diversidad de estructuras y mayores exigencias de precisión, las tecnologías de control de tensiones en la fabricación de puentes de acero evolucionarán hacia métodos más eficientes, inteligentes y controlables. Como experto global en estructuras prefabricadas, XTD Steel Structure seguirá ofreciendo soluciones integrales de calidad para la construcción de puentes de acero de alto rendimiento.
